玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)虛擬仿真實驗項目建設(shè)

肖煒 宋艷琦 張懿

[摘 要] 為提升普通昆蟲學(xué)實踐教學(xué)效果，提出玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)方案?；诹謽I(yè)高等院校森林保護專業(yè)在“普通昆蟲學(xué)”課程中昆蟲生物學(xué)實驗的開展，運用玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)昆蟲虛擬發(fā)育實驗，實現(xiàn)常規(guī)實驗不能完成的任務(wù)。該項目建設(shè)包括資源建設(shè)、流程建設(shè)、內(nèi)容建設(shè)、平臺建設(shè)和共享服務(wù)建設(shè)，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗在普通昆蟲學(xué)教學(xué)中的作用，使學(xué)生能夠系統(tǒng)全面地掌握昆蟲的世代、年生活史、習(xí)性等相關(guān)知識，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、獨立操作、解決問題的能力，可為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 玉帶鳳蝶;虛擬仿真實驗;人工飼養(yǎng);實驗項目建設(shè)

[基金項目] 中南林業(yè)科技大學(xué)校級虛擬仿真實驗項目（2020培育）;湖南省普通高校重點實驗室昆蟲系統(tǒng)進化與綜合管理實驗室（010211）平臺項目73402-14180946資助

[作者簡介] 肖 煒（1975—），男，湖南新寧人，碩士，中南林業(yè)科技大學(xué)昆蟲系統(tǒng)與綜合管理實驗室實驗師（通信作者），主要從事森林保護學(xué)昆蟲學(xué)研究。

[中圖分類號] G642.0? ? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）19-0022-04? ?[收稿日期] 2020-12-02

一、實驗項目建設(shè)背景

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)昆蟲學(xué)教學(xué)模式的局限性顯得越來越突出，已經(jīng)不能滿足教學(xué)需求。為了解決這個問題，虛擬仿真技術(shù)逐步被引入各高校實驗教學(xué)當(dāng)中[1]。林業(yè)高等院校森林保護專業(yè)主干課程中“普通昆蟲學(xué)”是專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及昆蟲形態(tài)學(xué)、昆蟲生物學(xué)等方面，課程由理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩部分組成，特別是實驗教學(xué)是非常重要的環(huán)節(jié)，它不僅能使學(xué)生更好地鞏固理論教學(xué)知識，同時能使其掌握操作技能，提高分析問題、解決問題的能力。

玉帶鳳蝶（Papilio Palytes Linnaeus）是我國南方柑橘的主要害蟲之一，其幼蟲咬食柑橘嫩芽、幼葉[2，3]，易于人工飼養(yǎng)，但飼養(yǎng)周期長，在當(dāng)前的普通昆蟲實驗教學(xué)中不易實現(xiàn)，因而限制了教學(xué)效果。因此，我們開發(fā)了玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)項目，以中南林業(yè)科技大學(xué)虛擬仿真實驗中心為依托，以林業(yè)害蟲玉帶鳳蝶（Papilio Palytes Linnaeus）為實驗對象，建設(shè)了虛擬喂養(yǎng)、動態(tài)觀察和發(fā)育控制的混合式教學(xué)模式，實現(xiàn)了“大尺度實驗微縮化”，完成傳統(tǒng)實驗不可能完成的實驗內(nèi)容，使各個知識點無縫銜接，學(xué)生掌握的知識結(jié)構(gòu)與專業(yè)技能更加完整，進而達到真實實驗不具備或難以實現(xiàn)的教學(xué)效果[4，5]。

二、實驗項目建設(shè)方案

玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)項目的教學(xué)對象是林業(yè)高等院校森林保護專業(yè)的二年級學(xué)生，學(xué)生已經(jīng)完成了基礎(chǔ)課程，進入專業(yè)課程學(xué)習(xí)當(dāng)中，其中“普通昆蟲學(xué)”為主干課程。該項目綜合運用虛擬仿真現(xiàn)代教育技術(shù)，通過玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)，使學(xué)生掌握昆蟲的年生活史、習(xí)性等相關(guān)知識[6，7]，有效解決了昆蟲飼養(yǎng)在普通昆蟲學(xué)實驗教學(xué)中不易實現(xiàn)、限制了教學(xué)效果的難題。玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)虛擬仿真實驗項目建設(shè)方案主要包括：實驗資源建設(shè)、實驗流程建設(shè)、實驗內(nèi)容建設(shè)、實驗平臺建設(shè)及實驗共享服務(wù)建設(shè)等五個方面（見圖1）。

三、實驗項目建設(shè)實踐

（一）建立了虛擬喂養(yǎng)、動態(tài)觀察和發(fā)育控制的混合式教學(xué)模式

針對玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)耗費時間長、難以觀察等問題，結(jié)合“普通昆蟲學(xué)”教學(xué)大綱，我們建立了虛擬喂養(yǎng)、動態(tài)觀察和發(fā)育控制的混合式教學(xué)模式，該教學(xué)模式包括虛擬喂養(yǎng)、動態(tài)觀察和發(fā)育控制三個基本功能。發(fā)育控制為考查學(xué)生對“普通昆蟲學(xué)”課程“有效積溫”“滯育”等基礎(chǔ)知識點的掌握;而虛擬喂養(yǎng)、動態(tài)觀察可以促進學(xué)生對“蛻皮”“羽化”等知識點的理解[8，9]，混合式教學(xué)模式可以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，提升綜合素質(zhì)。

（二）實驗項目教學(xué)資源和教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)虛擬仿真實驗項目的教學(xué)資源，例如課程簡介、教學(xué)大綱、指導(dǎo)手冊等，已成熟并在教學(xué)過程中得到實際應(yīng)用。學(xué)生通過虛擬實驗預(yù)習(xí)，可以先行了解課程簡介、教學(xué)大綱、操作指導(dǎo)手冊等，通過觀看平臺實驗操作視頻及實驗內(nèi)容介紹，使學(xué)生在課前對整個虛擬喂養(yǎng)實驗有系統(tǒng)、全面的了解。

實驗教學(xué)內(nèi)容主要有虛擬喂養(yǎng)、動態(tài)觀察和發(fā)育控制三個內(nèi)容，“虛擬喂養(yǎng)”包括天然植物喂養(yǎng)和人工飼料喂養(yǎng);“動態(tài)觀察”包括幼蟲蛻皮過程、化蛹過程、羽化成蟲過程和交配過程等方面;“發(fā)育控制”包括卵的發(fā)育控制、幼蟲的滯育控制等。實驗參數(shù)設(shè)置可預(yù)設(shè)，也可由學(xué)生自主設(shè)置，可進行人機對話和虛擬操作，動態(tài)展示了玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)條件下的發(fā)育全過程。

（三）實驗項目教學(xué)流程

學(xué)生可通過智能手機、平板及電腦等客戶端登錄玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)虛擬仿真實驗項目平臺進行實驗預(yù)習(xí)，了解和熟悉實驗簡介、實驗?zāi)康呐c原理及實驗內(nèi)容。按照教學(xué)流程框架依次開展本項虛擬仿真實驗，教學(xué)流程框架如圖2所示。

在預(yù)習(xí)之后，學(xué)生進入教學(xué)與操作部分，教學(xué)與操作為虛擬實驗的重點部分，根據(jù)玉帶鳳蝶的生活史，我們設(shè)置了“卵”“幼蟲”“蛹”和“成蟲”四個基本模塊。根據(jù)昆蟲的發(fā)育，玉帶鳳蝶人工飼養(yǎng)仿真實驗從“卵”開始。首先要求學(xué)生觀察卵的形態(tài)特征，并通過點擊“參數(shù)設(shè)置”，輸入玉帶鳳蝶卵的發(fā)育最佳參數(shù)，包括溫度、濕度和光照等，當(dāng)實驗參數(shù)正確時，“卵”開始進行虛擬孵化，學(xué)生可以動態(tài)觀察到整個虛擬孵化過程。

進入“幼蟲”模塊，當(dāng)孵化出第一齡幼蟲后，要求學(xué)生在眾多的植物種類中選擇正確的玉帶鳳蝶寄主植物，選擇正確后，第一齡幼蟲開始虛擬取食、生長。當(dāng)一齡幼蟲生長期結(jié)束時，開始進行虛擬蛻皮，學(xué)生可以動態(tài)觀察到整個虛擬蛻皮過程。蛻皮完成后進入幼蟲第二齡，第二齡幼蟲食量開始增加，同時可以要求學(xué)生人工合成玉帶鳳蝶的人工飼料[9]，進行人工飼料虛擬喂養(yǎng)，并同天然植物喂養(yǎng)進行比較。當(dāng)二齡幼蟲蛻皮后進入第三齡幼蟲，要求學(xué)生比較玉帶鳳蝶幼蟲體色、體形的變化。當(dāng)蛻皮后進入第四齡幼蟲，要求學(xué)生進行“滯育”觀察，輸入玉帶鳳蝶發(fā)育的參數(shù)，包括溫度、濕度和光照等，當(dāng)實驗參數(shù)正確時，玉帶鳳蝶第四齡幼蟲進入虛擬“滯育”。當(dāng)“滯育”結(jié)束蛻皮后進入第五齡幼蟲，要求學(xué)生進行老熟幼蟲形態(tài)觀察，并與一至四齡幼蟲進行比較，當(dāng)鼠標點擊老熟幼蟲頭部時，要求學(xué)生觀察老熟幼蟲的“臭角防衛(wèi)”習(xí)性。